轴流转桨机组孤网运行的研究

张中亚，田红彬，张国勋，田亚君，宋 扬



轴流转桨机组孤网运行的研究

张中亚1，田红彬2，张国勋1，田亚君1，宋 扬1

(1. 天津电气传动设计研究所有限公司，天津300180；2. 河南职业技术学院电气工程系，河南郑州450046）

刚果（布）国家电网陈旧，而且系统负荷主要集中在离英布鲁电站300多公里的首都布拉柴维尔，刚果英布鲁电站轴流转桨机组的桨叶协联在孤网系统中严重影响了系统频率稳定性。通过优化PID调节参数，并改变桨叶的调节规律，使调速器既能保证联网运行平稳，又可以满足孤网运行要求。

调速器；孤网；桨叶；协联；刚果英布鲁电站

0 前言

刚果（布）英布鲁水电枢纽工程位于刚果河支流莱菲尼河下游，距刚果河汇合口14km，距首都布拉柴维尔215km。英布鲁水电站承担刚果电力系统调峰、调频和骨干电站作用。总库容为5.84×108m3，厂房安装哈尔滨电机厂生产的轴流转浆式水轮发电机组四台，单机容量30MW，总容量120MW，年发电量6.85亿kW·h。刚果电网不需要电站承担调峰任务时，电站在正常蓄水位308.50m运行；当刚果电网需要电站承担调峰任务时，电站的运行水位在308.20m至正常蓄水位308.50m之间。

英布鲁电站建成以前，刚果(布)的电力需求主要依靠从刚果（金）进口来满足，英布鲁电站的建成不但满足了本国的电力需求，而且还可以把剩余电力出口到刚果（金）。刚果（布）政府出于国家能源安全的战略考虑，要求英布鲁电站必须具备孤网运行的能力。但是，刚果（布）国家电网陈旧，而且系统负荷主要集中在离英布鲁电站300多公里（电力系统输变电线路距离）的首都布拉柴维尔，这种电源点和负载点分别位于线路两端的长线路系统是比较容易产生震荡的电力系统。

1 孤网试验过程

第一步：孤网试验之前，刚果（金）国家电网与刚果（布）国家电网是联网运行的。首先，将刚果（布）电力系统中各变电站的负荷按照先大后小的顺序逐步甩掉，当刚果（金）国家电网与刚果（布）国家电网之间的负载潮流为零时，刚果（布）国家电网与刚果（金）国家电网解列，由英布鲁电站带刚果（布）国家电网独立运行。然后，继续逐步甩掉全部系统负荷，英布鲁电站机组全部停机。

第二步：启动英布鲁电站的一台机组，发电机零起升压并以30%额定电压充全线路，然后逐渐建立起正常的系统电压。

第三步：根据负荷先小后大的原则，逐步将各变电站的负荷突加在孤网系统中。当系统负荷达到70%机组额定负荷时再启动第二台机组，以此直至将四台机组全部开启，所带负荷约100MW。

2 桨叶协联对孤网运行的影响

轴流转桨式水轮机桨叶的转角根据导叶开度和水头的变化而变化，这种协联关系可以有效提高水轮机的效率，因此，在联网运行状态多有应用。然而对于孤网运行状态而言，导叶的快速调整可以很快地稳定系统频率，但是桨叶总是滞后于导叶，桨叶转角的任何变化都将引起机组出力的波动，打乱了导叶已经调好的系统频率，引起频率的振荡。刚果（布）英布鲁电站与刚果（金）组网运行时，调速器投入协联，机组运行平稳；孤网运行时，调速器退出协联功能，机组定桨运行的频率调节效果良好如图1所示，系统频率比组网时还稳定。但是，如果调速器在孤网状态下投入协联功能，一旦系统负荷有较大波动，系统频率就会长时间振荡，不易收敛。

图1 定桨调节

3 解决方案

3.1 选择最优PID参数

调速器可以保证机组的空载及甩负荷后的稳定性，但由于孤网中突变负荷量（含突增和突减负荷）与机组功率的比值相对较大，负荷随机性突变的次数较多，容易造成运行中频率波动峰值过大，引起过速或低频停机。所以，必须通过空载扰动试验，选择调速器最优PID运行参数，才能应对最恶劣的突发状况。图2是K=1.4，K=0.2，K=0.5时上扰和下扰4Hz的波形。

3.2 降低调节速度

既然刚果（布）英布鲁电站定桨孤网运行时频率调节性能优良，我们通过延长桨叶调整时间让桨叶缓慢调节，相当于定桨运行，有效降低了桨叶调整时对频率的干扰冲击。图3是孤网系统突增6MW负荷时的波形图。

3.3 分频率段调节

通过延长桨叶调整时间，虽然可以降低桨叶对系统频率的扰动，但是在系统大负荷波动时，不利于频率的快速调整。

为了适应机组甩负荷或系统大负荷波动时的调节工况，当频率大于51.5Hz或小于49Hz时桨叶按照原来的步进电机转角进行调整，使机组快速平稳调节到空载状态。当频率在49~51.5Hz范围内时，调速器通过软件减小步进电机的最大旋转角度，延缓桨叶的调整速度，以适应孤网正常负荷投退引起的频率波动。

图2 空载扰动

图3 突增6MW负荷

3.4 多步幅优化调节

在此基础上，通过修改软件让桨叶在频率大范围波动时的某个频率波动范围内（如50±0.3Hz）暂时不调节，经过延时，等待频率稳定后再进行桨叶调节。这样，桨叶就可以调一下等待频率稳定后再调一下，分为若干较小的步幅到达目标值，既避免了桨叶调整引起频率振荡，又可以控制水轮机高效率运行。图4是调速器软件优化调节后的突减6MW负荷波形图。

刚果（布）当地时间2012年3月3日15:26，只有英布鲁电站三台机组带刚果（布）国家电网运行，系统有功负荷突降39MW（由72.82MW降至33.33MW，降幅远超过原计划的10%），机组能够快速调整，恢复电网稳定运行，说明调速器调节性能优良，在电网出现较大扰动的情况下，英布鲁水电站能够维持孤网的稳定运行。通过这次事件证明，英布鲁水电站完全具备在调速器协联投入的情况下抵御较大的电网扰动及独立承担刚果电网负荷并稳定运行的能力。刚果（布）重大工程委员会也代表刚果政府对此给予了高度评价。

图4 突减6WM负荷

4 结论

刚果（布）英布鲁电站孤网运行试验是一次少见的大中型水电站孤网运行试验，它的试验成功为以后大中型电站孤网运行积累了宝贵的经验。孤网系统需要调速器具有良好的PID调节性能，同时，通过改变桨叶协联的调节规律，优化调节模式，可以很好地解决轴流转桨机组的桨叶协联给长线路孤网系统带来的扰动问题，经电站突增负荷、突减负荷、甩负荷等试验和运行证明调速器控制轴流转桨机组既可以联网平稳运行，又能满足孤网稳定运行要求。

[1] 魏守平. 水轮机控制工程[M]. 武汉：华中科技大学出版社, 2005.

[2] 孔昭年. 水轮机控制系统的设计与计算[M]. 武汉：长江出版社, 2012.

Isolated Net Research of Kaplan Turbine Unit

ZHANG Zhongya1, TIAN Hongbin2, ZHANG Guoxun1, TIAN Yajun1, SONG Yang1

(1. Tianjin Design & Research Institute of Electric Drive CO. LTD. Tianjin, 300180,China;2. Department of Electrical Engineering, Henan Polytechnic, Henan 450046, China)

Congo, Rep national power grid is antiquated, and the system load is mainly concentrated in the capital Brazzaville that is more than 300 kilometers away from Imboulou power station. The blade on cam of Kaplan turbine in Imboulou power station seriously impact on the system frequency stability in isolated system. By optimizing PID regulating parameters and changing the blade adjustment rule, the governor can not only guarantee the operation smooth in grid, but also meet the operation requirements of isolated grid.

governor; isolated net; blade; on cam; CONGO imboulou power station

TK733+.5

A

1000-3983(2014)02-0074-02

2013-04-20

张中亚(1975-)，男，本科，高工，在天津电气传动设计研究所有限公司从事水轮机控制设备的研究与设计。

审稿人：朴秀日